Kristallijne vaste stof: definitie, typen, kenmerken en voorbeelden

Een kristallijne vaste stof is een soort vaste stof waarvan de fundamentele driedimensionale structuur bestaat uit een zeer regelmatig patroon van atomen of moleculen, die een kristalrooster vormen. De meeste vaste stoffen zijn kristallijne vaste stoffen en de verschillende rangschikkingen van atomen en moleculen daarin kunnen hun eigenschappen en uiterlijk veranderen.

Een vaste stof is een toestand van materie waarin de stof zijn vorm behoudt en een consistent volume behoudt. Dit maakt een vaste stof anders dan vloeistoffen of gassen; vloeistoffen behouden een constant volume, maar nemen de vorm aan van hun container, en gassen nemen de vorm aan en volume van hun container.

De atomen en moleculen in een vaste stof kunnen ofwel in een regelmatig patroon worden gerangschikt, waardoor het een kristallijne vaste stof wordt, of zonder een patroon worden gerangschikt, waardoor het een amorfe vaste stof wordt.

Atomen of moleculen in een kristal vormen een periodiek of herhalend patroon in alle drie de dimensies. Dit maakt de interne structuur van een kristal

De kleinste eenheid van het structuurpatroon heet a eenheidscel. Een kristal bestaat uit deze identieke eenheidscellen die steeds opnieuw worden herhaald in alle drie de dimensies. Deze cel is het meest fundamentele onderdeel van de structuur van het kristal en bepaalt enkele van zijn eigenschappen. Het bepaalt ook het patroon dat een wetenschapper ziet wanneer ze naar het kristal kijken met behulp van röntgendiffractie, wat hen kan helpen de structuur en samenstelling van het kristal te identificeren.

De posities van de atomen of moleculen waaruit de eenheidscel bestaat, worden roosterpunten genoemd.

Wanneer een vloeistof afkoelt tot het vriespunt, wordt het een vaste stof in een proces dat neerslag wordt genoemd. Wanneer een stof neerslaat in een regelmatige kristallijne structuur, wordt dit kristallisatie genoemd.

Kristallisatie begint met een proces dat nucleatie wordt genoemd: atomen of moleculen clusteren samen. Wanneer die clusters stabiel genoeg en groot genoeg zijn, begint de kristalgroei. Nucleatie kan soms gemakkelijker op gang worden gebracht door gebruik te maken van entkristallen (vooraf gemaakte klonten) of een ruw oppervlak, wat de vorming van clusters bevordert.

Een bepaald atomair of moleculair materiaal kan meerdere kristalstructuren vormen. De structuur waarin het materiaal kristalliseert, hangt af van bepaalde parameters tijdens het kristallisatieproces, waaronder temperatuur, druk en de aanwezigheid van onzuiverheden.

Er zijn vier hoofdtypen: van kristallijne vaste stoffen: ionisch, covalent netwerk, metallisch en moleculair. Ze worden van elkaar onderscheiden op basis van de atomen of moleculen waaruit ze zijn gemaakt en hoe die atomen of moleculen aan elkaar zijn gebonden.

Het herhalende patroon in de structuur van ionische kristallen bestaat uit afwisselend positief geladen kationen met negatief geladen anionen. Deze ionen kunnen atomen of moleculen zijn. Ionische kristallen zijn meestal bros, met hoge smeltpunten.

Als vaste stoffen geleiden ze geen elektriciteit, maar ze kunnen wel elektriciteit geleiden als vloeistoffen. Ze kunnen zowel uit atomen als uit moleculen bestaan, zolang ze maar geladen zijn. Een veelvoorkomend voorbeeld van een ionische vaste stof is natriumchloride (NaCl), bekend als tafelzout.

Covalente netwerkkristallen, soms eenvoudigweg netwerkkristallen genoemd, worden bij elkaar gehouden door covalente bindingen tussen hun samenstellende atomen. (Merk op dat covalente netwerkkristallen atomaire vaste stoffen zijn, wat betekent dat ze niet uit moleculen kunnen worden gemaakt.) Het zijn zeer harde vaste stoffen, hebben een hoog smeltpunt en geleiden elektriciteit niet goed. Veelvoorkomende voorbeelden van vaste stoffen in covalente netwerken zijn diamant en kwarts.

Metaalkristallen zijn ook atomaire vaste stoffen, gemaakt van metaalatomen die bij elkaar worden gehouden door metaalbindingen. Deze metaalbindingen geven metalen hun kneedbaarheid en taaiheid, omdat ze de metaalatomen laten rollen en langs elkaar glijden zonder het materiaal te breken. De metaalbindingen zorgen er ook voor dat valentie-elektronen vrij door het metaal kunnen bewegen in een "elektronenzee", waardoor ze geweldige geleiders van elektriciteit zijn. Hun hardheid en smeltpunten lopen sterk uiteen.

Moleculaire kristallen zijn opgebouwd uit gebonden moleculen, in tegenstelling tot metaal- en netwerkkristallen, die zijn opgebouwd uit gebonden atomen. Moleculaire bindingen zijn relatief zwak in vergelijking met atomaire bindingen en kunnen worden veroorzaakt door een verscheidenheid aan intermoleculaire krachten, waaronder dispersiekrachten en dipool-dipoolkrachten.

Zwakke waterstofbruggen houden sommige moleculaire kristallen, zoals ijs, bij elkaar. Omdat moleculaire kristallen bij elkaar worden gehouden door zulke zwakke bindingen, zijn hun smeltpunten vaak veel lager, zijn ze slechtere geleiders van warmte en elektriciteit en zijn ze zachter. Veelvoorkomende voorbeelden van moleculaire kristallen zijn ijs, droogijs en cafeïne.

De vaste stoffen gevormd door de edelgassen worden ook beschouwd als moleculaire kristallen ondanks dat ze zijn gemaakt van enkelvoudige atomen; de edelgasatomen zijn gebonden door vergelijkbare krachten als de atomen die moleculen zwak aan elkaar binden in een moleculair kristal, waardoor ze zeer vergelijkbare eigenschappen hebben.

Een polykristal is een vaste stof die is samengesteld uit meerdere soorten kristalstructuren, die zelf zijn gecombineerd in een niet-periodiek patroon. Waterijs is een voorbeeld van een polykristal, net als de meeste metalen, veel keramiek en gesteenten. De grotere eenheid die uit een enkelvoudig patroon bestaat, wordt een korrel genoemd en een korrel kan veel eenheidscellen bevatten.

Een elektron in een kristallijne vaste stof is beperkt in hoeveel energie het kan hebben. De mogelijke energiewaarden die het kan hebben, vormen een pseudo-continue "band" van energie, genaamd an energieband. Een elektron kan elke energiewaarde binnen de band aannemen, zolang de band maar niet gevuld is (er is een limiet aan het aantal elektronen dat een bepaalde band kan bevatten).

Hoewel deze banden als continu worden beschouwd, zijn ze technisch discreet; ze bevatten gewoon te veel energieniveaus die te dicht bij elkaar liggen om afzonderlijk op te lossen.

De belangrijkste banden worden de geleidingsband en de valentieband genoemd: de valentieband is het bereik van de hoogste energieniveaus van het materiaal waarin elektronen aanwezig zijn bij de temperatuur van het absolute nulpunt, terwijl de geleidingsband het laagste bereik is van niveaus die ongevuld bevatten staten.

In halfgeleiders en isolatoren worden deze banden gescheiden door een energiespleet, de band gap. In halfmetalen overlappen ze elkaar. In metalen is er in wezen geen onderscheid tussen hen.

Wanneer een elektron zich in de geleidingsband bevindt, heeft het voldoende energie om vrij door het materiaal te bewegen. Dit is hoe deze materialen elektriciteit geleiden: door de beweging van elektronen in hun geleidingsbanden. Omdat de valentieband en de geleidingsband geen opening tussen hen hebben in metalen, is het voor metalen gemakkelijk om elektriciteit te geleiden. Materialen met een grotere bandafstand zijn meestal isolatoren; het is moeilijk om een ​​elektron voldoende energie te geven om de kloof te overbruggen en in de geleidingsband te gaan.

Een ander type vaste stof is een amorfe vaste stof, die geen periodiek patroon heeft. De atomen en moleculen in amorfe vaste stoffen zijn grotendeels ongeorganiseerd. Hierdoor hebben ze veel overeenkomsten met vloeistoffen en hebben ze in feite geen vast smeltpunt.

Omdat de afstanden tussen naburige atomen of moleculen in de structuur variëren, gaat thermische energie ongelijkmatig door het materiaal. Het materiaal smelt langzaam over een groot temperatuurbereik.

Voorbeelden van amorfe vaste stoffen zijn rubber, glas en plastic. Obsidiaan en suikerspin zijn ook voorbeelden van amorfe vaste stoffen.